基于KVM 虚拟化的显卡直通技术分析

2020-11-25张权南京云玑信息科技有限公司

数码世界 2020年4期

张权南京云玑信息科技有限公司

基于KVM 虚拟化显卡直通技术的形成背景是虚拟化在云计算应用的过程中出现运算工作效率低下的问题，就该缺陷进行针对性研究与试验后，推出KVM 虚拟机技术。笔者将从KVM 虚拟机技术的定义、优势特点以及其工作模式着手，对该技术支持下得到改良形成的显卡直通技术进行探析，以供后续发展参考。

1 KVM 虚拟机技术概述

1.1 KVM 虚拟机技术的定义

KVM 的详细名称表示为“KernelVirtualMachine”，三个关键词直译为“内核”、“虚拟”、“机器”，很容易便能够理解该技术的定义内容，即KVM 虚拟机属于以内核为基础展开工作的虚拟化系统。

1.2 KVM 虚拟化技术的优势特点

KVM 虚拟化技术的优势十分明显，可以大致概括三部分：第一，该技术的运行平台的性质特点是开源性，即可以在很大程度上节省运行成本，较原始的虚拟技术减少不必要的开支；第二，就技术升级后的兼容问题，KVM 虚拟化技术可以做到在升级工作完成后和Linux 内核系统快速进行融合，充分节省其硬件的储存空间；第三，该项技术的具备优良的性能以及高稳性，更始于应用到现阶段的云计算工作中。

1.3 KVM 虚拟化工作模式

KVM 虚拟化技术实际上是对虚拟机监视器的简化设计，其模式可分为两种，即内核模式和用户模式，两者对照的特权级别分别0和3。核心模式中工作的是KVM 的内核部分，用户模式下工作的则为QEMU 模块，即KVM 虚拟机运行在虚拟机监视器的NonrootMode 模式。KVM 的工作模式为：首先工作体系以模式为依据划分为三部分，即客户软件为来宾模式、KVM 为核心模式、QEMU模块为用户模式，要求KVM 的核心模式、用户模式和来宾模式三者进行过密切的合作协同进而完成工作指令，核心模式和用户模式两者以专用于设备输入输出操作的方式完成数据互通，来宾模式和KVM 进程之间通过“虚拟机进入”和“虚拟机退出”的指令进行切换。

2 基于KVM 虚拟化的显卡直通技术

2.1 显卡直传与QEMU 软件模拟实现架构对比

对KVM 虚拟化技术的实现架构的进行分析，可以发现其是借助QEMU 模拟外围设备，必须经过中层虚拟来完成传递与处理，以便把精确数据信息传至物理硬件中进行分析。针对一些运行速度不高的设备，上述流程可以解决其数据传递与处理问题。

对显卡直传的是实现构架分析，可以发现显卡直通技术进行虚拟化时对性能的标准是很高的，其将物理显卡地址进行单独分配到各个虚拟机，其具有独家访问权限。虚拟机通过内部操作系统能够控制物理显卡与虚拟外设驱动，以便直接通过内存或者访问时进行输入/输出操作。

2.2 KVM 虚拟化技术下的显卡直通技术原理

KVM 虚拟机在完成外设部件互连标准设备直传时，必须对四个关键点进行思考：第一，怎么对外设部件互连标准设备的配置空间完成映射；第二，怎么对外设部件互连标准设备发内存输入/输出资源进行映射；第三，怎么完成外设部件互连标准设备停止指示的映射；第四，怎么进行直接内存访问操作。这四个关键点即其实现该技术的原理内容。

成组数据传送方式能够完成外设和系统两者的高速数据传递，外设能够不通过中央，然后可以直接进行内存访问，数据传递之前需要申请可以被成组数据传送方式访问的权限地址，接着发送传送指令进行成组数据传送。

2.3 基于KVM 虚拟化的显卡直通技术实现

当KVM 虚拟机准备直接访问物理显卡并进入时，需要于之前就在QEMU 平台上注册一个外设部件互连标准设备透传虚拟设备，即登录外设部件互连标准设备最为直接的方式。准备完成之后，需要把访问权限和现实设备上的对应数据做出详细对比，进行数据映射，使参数的传输是有价值的。

实际上，显卡直通技术诞生的主要目的为对物理显卡的直通作保障，也正是因为这样，则一定要将显卡与外设部件互连标准设备总线上。在这样的前提下，就能够注册两个虚拟外设部件互连标准设备，目的是更好的完成直接访问物理显卡的任务。显卡直通技术实现的最关键部分即为把宿主机的输入输出地址空间和预留内存映射到对应的地址空间中，准备完成之后，需要把访问权限和现实设备上的对应数据做出详细对比，进行数据映射，使参数的传输是有价值的。